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1、第 七 章光 刻 工 艺,前面工艺的遗留问题,a. 如何在一片硅片上定义、区分和制造出不同类型、 不同结构和尺寸的元件? b. 如何把这些数以亿计的元件集成在一起获得我们 所要求的电路功能? c. 如何在同一硅片上制造出具有不同功能的集成电路。,1、 氧化、扩散、离子注入、外延、CVD等一系列工艺都是 对整个硅园片进行处理，不涉及任何图形。,3、 图形转移技术：光刻与刻蚀,2、 在同一集成电路制造流程中,经历了一系列加工工艺后：,光刻工艺, 概述 掩膜版 光刻机 光刻胶 典型的光刻工艺流程,参考资料：微电子制造科学原理与工程技术第7、8章（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）,一、概述,是指通
2、过曝光和选择性化学腐蚀等工序将掩膜版上的集成电路图形印制到硅片上的精密表面加工技术。,像纸上的感光材料 光刻胶 胶卷（底片） 掩膜版 曝光系统（印像机） 光刻机 暗室（小红灯） 光刻间（黄灯） 显影液 定影液,（光刻、工序及说明）,1、光刻：,(1) 利用旋转涂敷法在硅片表面上制备一层光刻胶;(2) 将一束光通过掩膜版对光刻胶进行选择性曝光;(3) 对光刻胶显影从而将掩膜版上的图形转移到硅片上。,2、工序：,(1) 三要素：光刻胶、掩膜版和曝光系统（光刻机）。(2) 目的：就是在二氧化硅、氮化硅、多晶硅和金属等薄膜 表面的光刻胶上形成与掩膜版完全对应的几何图形。这 样光刻胶就可以用作刻蚀下面薄
3、膜时的掩蔽膜或用作离 子掺杂注入的掩蔽膜。,3、说明：,二、掩膜版,(2) 掩膜版的作用： a. 是IC设计与IC制造之间的接口与桥梁。 b. 决定了组成集成电路芯片每一层的横向结构与尺寸。 c. 掩膜版的数量决定了工艺流程中所需的最少光刻次数。,(3) 掩膜版的版图。所谓版图就是根据电路器件的几何形状 与尺寸，依据集成电路工艺的设计规则，利用计算机辅 助设计（CAD）软件所设计出的掩膜图案。,1、基本概念,（概念、版图设计、制版程序、基本结构）,(1) 掩膜版：,包含着预制造集成电路特定层图形信息的模板., 对于每一层版图，版图设计规则规定：允许的最小特征尺 寸、最小间隔、该层图形与其它层图
4、形的最小覆盖，与它 下面层图形的最小间隔等。,2、版图设计规则主要解决两个问题：,(1) 同一层几何图形之间的关系；(2) 不同层之间的相互关系。,说明,(1) 绘制版图(2) 数据转换成图形发生器的专用文件（CIF文件、PG 文件等）,3、制版程序：,a. 根据使用的光刻机，掩膜可以与最后完成的芯片上的图形 有同样的尺寸或是该尺寸的整数倍，后者在曝光时掩膜上 的图形被缩小。通常缩小倍数为 4 和 5。,说明,(3) 驱动和控制图形发生器，以一定的间距和布局，将 掩膜图形印制于掩膜材料上，进而制备出批量生产 用的掩膜版。,b. 制版工艺：,光学制版主要用于3 m以上图形的制造。,可分光学制版和
5、电子束制版。,b.要求：与玻璃粘附力强，针孔小，易加工成图形，机械 强度与化学稳定性好,分辨率高。,(1) 掩膜材料：主要是铬、氧化铬或氧化铁等金属或金属氧化 物薄膜。,a. 作用：有选择的遮挡照射到硅片表面光刻胶膜上的光。 厚度几十几百纳米。,(2) 基版材料：玻璃、石英。,要求：在曝光波长下的透光度高，热膨胀系数 与掩膜材料匹配、表面平坦且精细抛光。,4、掩模版的基本结构,a. 图形尺寸准确，符合设计要求；b. 整套掩膜版中的各块版应能依次套准，套准误差应尽可能小；c. 图形黑白区域之间的反差要高；d. 图形边缘要光滑陡直，过渡区小；e. 图形及整个版面上无针孔、小岛、划痕等缺陷；f. 坚
6、固耐用，不易变形。,(3) 对掩膜版的质量要求,掩膜版上形成图形后，图形可通过与数据库对比检查进行确认。任何不希望有的铬可用激光烧化剥离。铬层的针孔可用额外的淀积来修理。,三、光刻机,2、光刻机的三个主要性能指标: (1) 分辨率：是可以曝光出来的最小特征尺寸。通常指能分辩的 并能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸。极限分辨率为/2。 (2) 对准和套刻精度:是描述光刻机加工图形重复性能的一个指 标，是层间套刻精度的度量，主要取决于掩模版和硅片的支撑 平台图形对准和移动控制精度性能。 套刻精度约为分辨率的1/3。 (3) 产率:指每小时可加工的硅片数，是判断光刻系统性能的一 个重要的指标，直接决定
7、了集成电路芯片的制造成本。,1、光刻技术的主体：,光刻机（曝光机 + 对准机）,它是将掩膜版上的图形与前次工序中已刻在硅片上的图形对准后，再对硅片表面的光刻胶进行曝光实现图形复制的设备。, 对于指定的光刻机，分辨率、对准和套刻精度、产量 都不是一个固定值。,影响工艺效果的一些参数,补 充,a. 曝光光源的波长是光刻工艺的关键参数，其它条件相同， 波长越短，可曝光的特征尺寸越小。/2b. 曝光要求有一定的能量，且必须均匀的加在硅片上。为了 保持合适的曝光时间，曝光波长下的光源必须足够亮。,1）曝光光源,3、光刻机的主要组成：,曝光光源、光学系统和支撑定位平台,I) 汞灯光源在可见光和近紫外波长是
8、有效的辐照源II) 曝光光源从最初的紫外光波段的多波长汞灯光源，发展到 g线光源、90年代中期，采用线的光刻机成为主流机型。,c. 常见的曝光光源,g line -= 436nmi line -= 365nm(used for 0.5,0.35 m),III) 在深紫外(DUV,180nm330nm)波段范围内，准分子激光是最 亮的光源。 主要优点:输出的光波波长短,强度高,数个脉冲就可以完成 图形的曝光要求,光束截面上的光强分布在视场范围非常好, 谱线宽度窄,色差小,输出模式众多,光路设计上可以省去滤 波部分等。,I. 即将采用的ArF准分子激光光源， ArF- = 193nm for 0.
9、13 mII.正在研发157nmF2准分子激光光源和X射线、电子束、 离子束等新型曝光光源。 F2 - = 157nm for 10070nm,IV) 目前的主流技术中采用的是深紫外(DUV)波段的KrF准分子 激光光源。,KrF- = 248nm (used for 0.25 , 0.18m, 0.13 m),说明,根据曝光方式的不同，光刻机可以分为接触式、接近式和投影式三种。,2)光刻机,（一）接触式光刻机, 优点：结构简单、成本低，光的衍射效应最小而分辨率高， 特征尺寸小。, 主要缺点： 容易造成掩膜版和光刻胶的 损伤。每一次接触都有可能 在掩膜版和光刻胶上造成缺 陷。,（二）接近式光刻
10、机, 缺点：由于掩膜版和光刻胶之间存在一定的距离， 经过掩膜版后的光会发生衍射，从而使光 刻的分辨率降低。, 优点：掩膜版悬浮在硅片表面的氮气气垫上， 通过改变进入的氮气流量控制间隙.,接近式光刻机系统中，硅片表面光强度与硅片位置的函数关系，间隙g从0增加到15m,对于一个宽度为W的单孔掩膜， 它与硅片之间的距离为 g 当: g W2/ 系统处于夫琅禾费衍射的远场范围。,（三）投影式光刻机,2) 系统的数值孔径（NA): NA= n sin( ) 代表着物镜收集衍射光的能力。 是物镜接收角的一半; n 是物镜与硅片间媒介的折射率，空气中为,1) 定义：采用光学投影的方法，将掩膜版上的图形聚焦于
11、硅 片表面的光刻胶上进行曝光的光刻机,沿着光通路，硅片可移动并能保持图形聚焦的移动距离。,I 提高分辨率方法：， NA。II NA（透镜）， DOF 取365nm，NA0.4,则DOF2.3 m NA0.6,则DOF1 m,3)投影式光刻系统的两个基本参数,b. 焦深DOF,Wmin =k1/NA,DOF=k2/(NA)2,由瑞利定则确定,a. 分辨率R,k1为与系统有关的常数。,说明,k2为与系统有关的常数。,a. 光源通过一个窄的弧 形对掩膜和硅片进行 辐照扫描。b. 通过掩膜照射的弧形 光经过两个球面反光 镜反射，可以实现全 反射。c. 产量高,4）扫描投影光刻机,4）扫描投影光刻机 美
12、国Canon公司,5）分布重复投影光刻机 ASML公司248nm KrF,a. 采用折射式光学系统和4X5X的缩小透镜.因此掩膜版上的 图形可以比实际硅片的图形大得多，这样可以消除由于掩 膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应，能够克服小图形 制版的困难。掩膜版制造容易。b. 曝光场：一次曝光只有硅片的一部分， 可以大大提高 (0.7)，并避免了许多与高NA有关的聚焦深度问题，加大了 大直径硅片生产可行性。c. 采用了分步对准聚焦技术。, 主要问题： 需要制造像差小，并对深紫外光 高度透明的非常大的透镜，而这 是非常困难的。,6）分步扫描投影光刻机, 目前大多数先进光刻机已采用分步重复扫描投影技术
13、，在一个曝 光场中进行图形扫描。, 继承了扫描投影光刻机的优点：光学系统只需在更小的面积内更 加完善，因此容易增大数值孔径NA。, 也具有分布重复光刻机的优点：用4X 或5X的掩膜版来简化对掩膜板 的制造,曝光场比硅片小的多，从而消除了硅片尺寸问题（可以局部 对准）、简化了透镜的设计。,习题,1、某一投影曝光系统，其数值孔径为0.6，试计算并画出其理论分辨率和聚焦深度与曝光波长的关系曲线。假设k1=0.6, k2=0.5（以上假设的数值均为实际系统的典型值）。曝光波长从100nm到1000nm（DUV到可见光）。在你的曲线上标出常见的曝光波长（G线，I线，KrF和ArF）。根据这一曲线，你认为ArF光源适合作为0.13微米和0.1微米技术节点的曝光光源吗？,
